(图为周福霖在港珠澳大桥建设工地,观察桥墩隔震支座)
1994年9月16日,台湾海峡南部发生7.3级地震,广东汕头地区震感明显。地震发生时,汕头市民匆忙从家中跑出,情急之下有人直接从窗户跳下,当地甚至出现踩踏致死案例。出人意料的是,当大家涌上街头避难时,住在汕头市一栋“隔震楼”里的居民对地震竟毫无察觉。
“事后我们做过调查,住在隔震楼里的人80%反馈没有震感。”广州大学土木工程学院院长谭平向《院士通讯》介绍:“当时,隔震楼内的居民看到对面楼里的人向外跑,还不知道已经发生了地震。”
谭平口中的“隔震楼”,是中国工程院院士、广州大学工程抗震研究中心教授周福霖主持建造的我国第一栋隔震技术示范楼,也是周福霖“以柔克刚”隔震减震思想的一次检验,更是该团队解决广州塔抗风减振、港珠澳大桥抗震抗风等一系列重大工程难题的技术“支点”。
世界隔震技术的“第三个里程碑”
上世纪80年代,隔震技术还是新生事物,联合国工业发展组织希望能落地几栋隔震技术示范建筑。1989年,联合国拨出专门经费,委托英美几位专家在日本、印尼、中国等地物色人选。几位专家辗转找到一直从事隔震技术研究,兼具理论知识和工程经验的周福霖,希望他主持在中国建一栋隔震技术示范建筑。这让周福霖十分兴奋,他四处奔走积极协调,可当听说这项新技术要“锯断”大楼基柱,没人敢冒险将工程交给他。
“传统上建房子、修桥梁,要把柱、梁做粗做大,里面配很多钢筋来抗震。但周院士(周福霖)的隔震技术不仅要把建筑底部的柱子‘锯断’,还要把隔震支座塞进去,这颠覆了行业固有认知。”谭平说,“上世纪80年代,我国抗震领域和国外差距较大,绝大多数工程师还不知道这项新技术(隔震技术),听说要把楼房的基础‘锯断’都非常震惊。”
1991年,在广东省建委和汕头市建委支持下,两栋8层的建委宿舍楼破土动工——在相距25米的地方,一栋采用传统抗震技术,一栋采用最新的隔震技术作示范对比。
1993年,两栋大楼落成,但隔震楼基柱被“锯”的消息不胫而走,老百姓担心柱子被锯断了不安全,没人愿买隔震楼。无奈,汕头市建委鼓励内部工作人员住进隔震楼。
翌年9月,台湾海峡7.3级地震让汕头市民知道了隔震楼的“厉害”,也验证了周福霖的做法并非冲动,它来自地震中的亲身体验、系统的理论研究、扎实的科学实验和工程实践经验。
在唐山找到科研的“精神原点”
“隔震减震技术的基本思路是‘以柔克刚’。”周福霖告诉《院士通讯》,“传统抗震技术是‘以硬抗硬’,要求柱子越粗,房屋越强越好,隔震减震恰恰相反,它把建筑物底下做成柔性橡胶支座,利用柔性隔离震动。”
在隔震减震领域深耕了整整50年,周福霖的研究和探索已发展成一套完整的隔震减震标准体系,为该领域做出了奠基性贡献。鲜为人知的是,他下定决心要建造“地震中不坏不倒的房子”和“以柔克刚”的隔震减震技术路线,都在1976年唐山大地震的废墟上开始萌芽。
唐山地震后第三天,机械工业部第四设计院的青年工程师周福霖接到通知,立刻前往地震灾区调查工业厂房和建筑物的震害情况。从北京驱车前往唐山,一路上余震不断,道路桥梁被大量震毁,原本两三个小时的路程,他们竟足足颠簸了近20个小时才抵达灾区。尽管有些心理预期,但现场的惨状仍让周福霖大为震撼。
“一眼望去全是坍塌的房屋、断裂的墙壁、碎裂的砖瓦。一栋栋看过去,房屋几乎全部倒塌,很难看到幸免的建筑。”周福霖回忆说。一天,周福霖在唐山市第一人民医院附近拍照调查,一位老人过来搭话,得知他是设计院的技术人员时,老人丝毫未留情面地诘问:“为什么地震一来,所有房屋都倒了?你们搞设计的是吃干饭呀?”此后很多年,老人这句沉甸甸的诘问象烙印一样深深留在周福霖心底,成为他几十年科研道路的精神原点。
“我当时就意识到,抗震设计不仅是一个工程问题,也是个关乎生死的问题。地震不能精准预报,但怎么让房屋不坏不倒,是我们学土木工程者必须解决的问题,是我们逃不过的责任。”周福霖说。
废墟上冒出“隔震”思想萌芽
周福霖在唐山调查了近3个月,看到震区的惨状,经历余震的考验,也深知老百姓心里的真实感受。更重要的是,在废墟之上,他对抗震隔震减有了新的认识。在唐山市一处住宅区,周福霖看到两栋四层小楼非常特殊——尽管墙体出现裂缝,室内物品摔碎,但整栋楼房主体结构屹立不倒。
“为什么它们没倒?”周福霖十分好奇。他蹲下来仔细观察,发现小楼的墙基部位有一道黑色的油毛毡防潮层。经过对比分析,他发现地震的时候,地基剧烈晃动,房屋墙基位置的油毛毡防潮层形成滑动界面,虽然楼房整体平移了40多厘米,但巨大的地震能量也被化解,因此建筑主体得以保全。
与之形成鲜明对比的是,为使厂房结构稳定,工厂厂房柱间大量使用交叉支撑。凡是有交叉支撑的柱子顶部的屋顶必塌,没支撑或支撑已屈曲的厂房结构损毁程度就轻很多。“因为交叉支撑结构让柱子水平刚度很大,它的柱顶节点就会被破坏,导致屋顶掉下来。”周福霖说,“这两个现象让我头脑中冒出隔震减震技术的雏形:建筑不一定非要跟地震的冲击力‘硬碰硬’,如果在建筑和地基间设置一层缓冲层,就能隔离大部分地震破坏力。或者柱间交叉支撑降低水平刚度,先行屈服,消耗地震能量,就能降低结构破坏程度。”
1977年,国家建委(当时负责国家基本建设的部委)在广州召开第一届全国建筑防震会议。会上,周福霖作了关于隔震消能减震的报告,然而这个全新的构想当时并不被业内大多数人理解。部分人认为想法新颖,但更多的是质疑。
一边是现实震害案例,一边是旧有工程认知。为了验证自己的判断,大学主修俄文的他又开始自学英文,搜集国外文献,追踪国际隔震减震前沿。不久,他看到欧洲的报道,南斯拉夫科学家做过实验,把小球垫在房屋下面,让小球在地震时滚动隔震。“这个实验对工程不现实,因为小球滚动不好控制,但这个实验对我很有启发。”周福霖说。
1981年,周福霖赴加拿大不列颠哥伦比亚大学,跟随世界地震工程学会委员副主席S. Cherry专攻隔震减震技术。在那里,他得以接触国际先进的地震模拟振动台实验条件。他把从唐山废墟得来的灵感,转化为可反复验证的科学试验,对比普通刚性建筑模型和加隔震支座模型的地震响应,完成当年世界首次大模型隔震结构振动台实验。试验结果证实:普通建筑模型在强震下开裂损毁,而设置隔震层的模型,整体保持完好。隔震技术确实可以大幅隔离削减传递到上部建筑的破坏能量。
筑牢地震中的“安全岛”
在汕头建隔震楼时,我国尚不能生产那种隔震支座,示范楼特意从马来西亚进口隔震支座。工程落地第二年,周福霖就开始组织力量进行隔震支座国产化攻关。那时候马来西亚厂商能生产直径800毫米,阻尼比0.07的橡胶隔震支座,中国只能试产直径400毫米的产品。
2008年汶川地震之后,马来西亚厂商来到广州大学工程抗震研究中心,想在中国推广他们的800毫米隔震支座,却发现中国已经在生产直径1000毫米至1400毫米的大型铅芯隔震支座,还推出了阻尼比达0.18的高阻尼隔震支系列产品。“中国在几十年里完成了跟跑、并跑,现在开始领跑。
这个领域中国已经跟美国和日本一起站在第一梯队了。”谭平说。目前,广州大学工程抗震研究中心搭建起多台串联总长60米的大型振动台阵,拥有万吨级隔震支座试验系统,试验承载力指标超过日本、美国同类设备。周福霖系统总结隔震减震理论、实验研究和工程应用,主持编定的隔震减震技术,已形成一套完整的隔震减震标准体系。
抗震减震隔震研究中,周福霖提出“三保护”理念:一是保护建筑主体结构,地震中主体不能损毁,保护生命;二是保护内部仪器设备不摔倒或损坏,地震中保持建筑使用功能正常,这对医院、学校、养老院这几类重点建筑尤为关键;三是保护天花板、门窗等非结构构件,避免次生伤害。他心中的目标,是依靠隔震、减震技术,建造地震中的“安全岛”,让中国逐步成为世界地震安全性最高的国家之一。面向新的抗震防震需求,周福霖又提出“震-振双控”的学术思想。
“震-振双控是个新课题。”周福霖说,“现在轨道交通高速发展,地铁穿过居民区、科研机构,诱发的振动成为新挑战。我们不但要让房屋绝对安全,也要保证居民生活舒适,保证高精尖科研和制造不受干扰”。
目前,中国原创的震-振双控技术体系已经步入工程应用,其隔离地震和振动的效果引发国际同行关注和赞赏。2025年,该技术荣获国际隔震与减震控制学会(ASSISi)创新大奖第一名,在国际学术界产生了巨大影响。
2003年,周福霖当选中国工程院院士。他带领团队先后两次荣获国家科技进步奖二等奖,个人荣获全国五一劳动奖章、广东省首届“南粤创新奖”、广东省科学技术突出贡献奖等,2021年被授予全国优秀共产党员荣誉称号。
周福霖这份敢于挑战传统、勇闯技术无人区的底气,来自唐山废墟上刻骨铭心的诘问,来自成百上千次振动台实验的数据,来自一个个经受地震检验的真实工程,更来自50年认准一个方向,心无旁骛干好一件事的坚守。
(张双虎)